Гены казеинов молока

Казеины – белки молока, секретируемые клетками молочной железы. В период лактации на их долю приходится до 80% от всех белков, синтезируемых этими клетками. Казеины крупного рогатого скота представлены четырьмя основными группами: αS1-, αS2-, β-, κ-казеинами, составляющими соответственно 38, 10, 36 и 13% от общего белка молока. Эти белки имеют молекулярную массу около 20 тысяч, в их полипептидной цепи преобладает β-структура. Остатки фосфорной кислоты (обычно в виде соли с кальцием) образуют сложноэфирную связь главным образом с гидроксильной группой остатков серина. Каппа-казеины по своей структуре и свойствам значительно отличаются от остальных казеинов, они имеют высокий уровень гомологии с гамма-цепью фибриногена и сходную с этим белком функцию - роль стабилизирующего фактора в образовании мицеллярной структуры молока [Thompson et al., 1985; Holt, 1988]. У αS1-, αS2-, β- казеинов в большей степени чем для каппа-казеина проявляется свойство к преципитации в присутствии ионов кальция.

Гены казеинов у КРС локализованы районе q31-33 шестой хромосомы, представляют собой кластер из четырех тесносцепленных генов, протяженностью около 250 т.п.н. [Threadgill et al., 1990; Rijnkells et al., 1997]. Каппа-казеин (CSN3) отделен от остальных генов казеинов примерно на 70 т.н.п. [Feretti et al., 1990]. Гены казеинов одного типа у разных видов животных более схожи, чем гены казеинов разных типов у одного вида млекопитающих.

Экспрессия генов казеинов находится под контролем сложного комплекса лактогенных гормонов. Ведущую роль в позитивной регуляции уровня экспрессии играет пролактин и усиливающие его действие глюкокортикоиды.

Белок αS1 состоит из 199 аминокислот, молекулярный вес – 23,614 kDa. Его изоэлектрическая точка составляет 4,1-4,5. Большое количество неполярных аминокислотных остатков придает белку αS1-казеина гидрофобные свойства. Самый гидрофильный регион этого белка расположен в промежутке между 45 и 86 положениями аминокислот [Alais C., 1974]. Вероятно, из-за своей гидрофобной природы, попытки кристаллизовать αS1-казеин пока не увенчались успехом, что является существенным препятствием в изучении вторичной и третичной структуры этого белка.

Ген αS1содержит 19 экзонов размером от 24 до 385 п.о. Общая длина гена составляет более 17508 п.о. [Dirk Koczan et al., 1991]. В 1962 году Thompson et al., проводя электрофорез в щелочной среде, выявил два варианта белка αS1-казеина – А и В. Отличие А -варианта от В заключается в делении 13 аминокислот в промежутке от 14 по 26 позиции [Grosclaude F et al., 1970]. К этому приводит удаление 39 п.о. при сплайсинге из пре-мРНК [Mohr et al ., 1994]. Замена Glu→Gly в позиции 192 В-варианта приводит к появлению С-аллеля. Этот вариант широко распространен у коров B. Indicus. В 1992 году Kawamoto с соавторами у непальских B. taurus и B. taurus x B. grunniens обнаружили две аллели as1-казеина, которые они назвали X и Y [Kawamoto et al., 1992]. Всего на уровне белкового полиморфизма выявлено 11 вариантов αS1-казеина (A, B, C, D, E, E*, F, G, H, X, Y [P. Formaggioni et al., 1998].

Наиболее распространенным является В-аллель αS1-казеина. Она присутствует во всех породах, иногда является единственной.

На белковом уровне у коз было выявлено шесть генотипов AA, AB, BB, AE, BE и EE. Также была установлена зависимость между вариантом генотипа и параметрами молочной продуктивности (удой, содержание жира и белка) [Bartowska J. et al., 2007; Ricordeau et al., 2000]. В 2004 году Ramunno et al., 2004 у коз выявил 17 генетических вариантов αS1 - A, B1, B2, B3, B4, C, D, E, F, G, H, I, L, M, N, 01, 02.

Ген αS2-казеина является самым длинным из четырех генов кодирующих казеины, он включат 18 экзонов. Общая протяженность гена около 18483 п.о. [Groenen М et al., 1993]. αS2-казеин является семейством белков - αS2, αS3, αS4, αS6. Их отличие состоит в разном количестве фосфатных групп (3, 12, 11 и 10 соответственно). Белок αS2 состоит из 207 аминокислот, молекулярный вес – 25,150 kDa. Его чувствительность к ионам кальция в связи с его высокой степенью фосфорилирования выше, чем у других казеинов. Два сегмента (50-123 и 132-207) в пептидной цепи αS2-казеина гомологичны. Это говорит о том, что αS2 мог возникнуть в результате дублирования примитивных генов [Ribadeau-Dumas B, 1979].У КРС было выявлено четыре генетических варианта – A, B, С, D [Farrell şi colab., 2004].

Гены казеинов αS1и αS2 наименее полиморфны [Сулимова Г.Е. и др. 2007].

Ген β-казеина КРС состоит из девяти экзонов и восьми интронов и имеет размер 8,6 т.п.н., что в 7,8 раз превышает размер соответствующей мРНК [Ткач Т.М., 1988]. Белок состоит из 209 аминокислот, его молекулярный вес составляет 23,983 kDa. Между αS1-казеином и β-казеином выявлена гомология. Так участки последовательности эти белков из восьми аминокислот (63-70 для αS1-казеина; 14-21 для β-казеина) очень похожи [Alais C., 1974].

На белковом уровне для β-казеина показано 16 аллельных вариантов, из которых наиболее широко распространены А1, А2, В [P. Formaggioni et al., 1998].

Белок каппа-казеина состоит из 169 аминокислот. Его молекулярная масса составляет 19007 [Mercier J.C., et al 1973]. Наличие двух остатков цистеина, которые образую внутри и межмолекулярных S-S-связи, приводит к образованию нескольких полимерных форм. Каппа-казеин расщепляется химозином по пептидной связи между фенилаланином (105) и метионином (106). Такое расщепление является первым шагом сычужного свертывания. С филогенетической точки зрения, каппа-казеин отличается от других казеинов, которые произошли от общего предка (они имеют высокую гомологию последовательности) [Jollés P., 1978].

Общая длина гена CSN3 – около 13 т.п.н. В IV экзоне этого гена сконцентрирована основная масса однонуклеотидных замен. У КРС описано 12 генетических вариантов гена этого гена: A, B, B2, C, E, F, F1, G, H, I, A(1) и J [Сулимова Г.Е. и др., 1992; Kaminski S. et al., 1996; Prinzenberg E. et al., 1999]. Еще один вариант (G1) выявлен у яка. Большая часть перечисленных вариантов относится к редким и встречается у отдельных пород, как правило, с низкими частотами. Наиболее часто встречаются А и В варианты. В варианте (В), в положение 136, треонин заменяется изолейцином, а в положении 148 и аспарагиновая кислоты заменяется на аланин [Grosclaude F. et al., 1972]. Каппа-казеин С- и Е-вариантов отличаются от А- и В-вариантов единственной нуклеотидной заменой. Замена гистидина на аргинин в положении 97 В варианта приводит к появлению С-варианта, а замена глицина на серин в положении 155 А варианта характеризует Е вариант [Miranda G et al., 1993].

F-аллель был обнаружен Сулимовой Г.Е. и др. при анализе животных черно-пестрой гибридной и зебувидной пород [Сулимова Г.Е., 1992].

G-вариант с частотой 0,003 был обнаружен в группах пинцгауэров в Австрии, Баварии, Германии [Erhard G., 1996].

Многими исследователями установлена положительная связь генотипа КРС по локусу каппа-казеина с параметрами молочной продуктивности [Schaar J., 1985; Caroli F., 1987; Гладырь Е.А. и др., 2000; Калашникова Л.А. и др., 2002 и др.].

Результаты исследований свидетельствуют, что в молоке коров с ВВ-генотипом содержится больше белка и из их молока на 10% больше выход сыра, чем из молока коров с АА-генотипом [Marzali A.S. et al., 1986; McLean, 1987]. В-аллель каппа-казеина ассоциирован с лучшими коагуляционными свойствами молока. Это объясняется различным уровнем гликолизирования и меньшим диаметром мицелл в молоке животных, имеющих ВВ – генотип [Глазко В.,1998]. Сыр, сделанный из молока животных, имеющих генотип ВВ, содержит меньше жира и влаги (45,7% и 40,9% соответственно), чем сыр из молока коров с другими генотипами [Юхманова Н.А., 2004].

Некоторые исследователи связывают АА-генотип с повышенной молочной продуктивность [Gonyon et al., 1987; Curi et al., 2005]. Ng-Kwai-Hang c соавторами на группе коров голштинской породы показал преимущество гетерозигот над остальными вариантами генотипа по гену каппа-казеина [Ng-Kwai-Hang et al., 1986].